[发明专利]用于无人机悬挂负载系统的抗扰控制方法

摘要

本发明属于多旋翼无人机负载运输控制研究领域，为提出一套多旋翼无人机悬挂负载系统的非线性鲁棒控制算法，提高系统在强交变风扰下的控制鲁棒性以及控制精度。本发明采取的技术方案是，用于无人机悬挂负载系统的抗扰控制方法，包括如下步骤：多旋翼无人机悬挂负载系统的运动学模型搭建步骤；扰动观测器设计步骤；基于所提出的多旋翼无人机悬挂负载系统的运动学方程，进行数学推导得到扰动观测器的观测模型。本发明主要应用于多旋翼无人机负载运输控制场合。

主权项

1.一种用于无人机悬挂负载系统的抗扰控制方法，其特征是，包括如下步骤：多旋翼无人机悬挂负载系统的运动学模型搭建步骤：以I表示惯性坐标系，以B表示无人机体坐标系，以p_Q＝(x_Q,y_Q,z_Q)^T表示多旋翼无人机相对于坐标系I的位置，其中x_Q，y_Q，z_Q分别为多旋翼无人机在坐标系I下的x，y，z方向位置，以p_L＝(x_L,y_L,z_L)^T表示悬挂负载相对于坐标系I的位置，其中x_L，y_L，z_L分别为悬挂负载在坐标系I下的x，y，z方向位置，以q＝(q_x,q_y,q_z)^T表示由无人机重心指向悬挂负载重心的单位向量，以T表示悬挂绳索的拉力，以m_Q，m_L，l分别表示无人机的质量，悬挂负载的质量以及悬挂绳索的长度，以表示无人机的平动推力控制输入，以)表示作用下无人机重心的外界未知平动扰动力，以G＝(0,0,g)^T表示重力加速度向量，以符号表示变量·的一阶时间导数，以符号表示变量·的二阶时间导数，则多旋翼无人机悬挂负载系统的运动学模型表示如下：p_L＝p_Q+lq扰动观测器设计步骤：基于所提出的多旋翼无人机悬挂负载系统的运动学方程，进行数学推导可得扰动观测器的观测模型如下式所示：为方便扰动观测器的设计，将观测模型简写成式其中以p_d表示无人机的期望控制位置，定义悬挂负载对应的虚拟负载位置为p_V＝p_Q+ρq，ρ为负常数，定义虚拟负载位置控制偏差ε＝p_V‑(p_d+ρr₃)，r₃＝(0,0,1)^T，所设计的扰动观测器如下式所示其中K₁＝diag{k_1i}∈R^3×3,K₂＝diag{k_2i}∈R^3×3表示对角增益矩阵，表示估计扰动项d的估计值，表示的估计值，表示的估计偏差，符号sign(·)表示变量·的符号函数，符号diag(·)表示由变量·生成对角矩阵，α，p,λ分别表示大于零的常数，对角增益矩阵K₁，K₂要满足以下不等式条件其中δ₂为扰动力D的一阶时间导数上界；带有扰动补偿机制的非线性鲁棒控制器设计步骤：针对所提出的多旋翼无人机悬挂负载运动学模型，设计非线性鲁棒控制器如下所示其中K_p1＝diag{k_p1i}∈R^3×3，K_d1＝diag{k_d1i}∈R^3×3，K_d2＝diag{k_d2i}∈R^3×3均表示对角增益矩阵，K_p2＝{k_p2i}∈R^1×3表示增益向量，增益均大于零，该控制器实现多旋翼无人机的位置控制误差收敛，即p_Q→p_d，以及悬挂负载摆角的消除，即q→(0,0,1)^T。